Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
1. Anthropogene Voraussetzungen
2. Sachanalyse
2.1. Aufbau eines Zylinders und Zusammenspiel wichtiger Bauteile
2.2. Die vier Takte
2.3. Arbeitsdiagramm
2.4. Die Ventilsteuerung
3. Didaktische Analyse
3.1. Richtungen und Ansätze der Technikdidaktik
3.1.1 Der allgemeintechnologische Ansatz (AtA)
3.1.2 Der arbeitsorientierte Ansatz (AoA)
3.1.3 Der mehrperspektivische Ansatz (MpA)
3.2. Bildungsplanbezug und Richtziele
3.2.1 Die Handlungsperspektive
3.2.2 Die Kenntnis- und Strukturperspektive
3.2.3 Die vorberufliche Orientierungsperspektive
3.3. Kompetenzerwerb
3.3.1 Fachkompetenz
3.3.2 Methodenkompetenz
3.3.3 Personale Kompetenz
3.3.4 Soziale Kompetenz
3.4. Die didaktische Analyse nach Klafki
3.4.1 Exemplarische Bedeutung
3.4.2 Gegenwartsbedeutung
3.4.3 Zukunftsbedeutung
3.4.4 Struktur des Inhalts
3.4.5 Zugänglichkeit
4. Methodische Überlegungen
4.1. Möglichkeiten der Methoden
4.2. Die Fertigungsaufgabe
4.2.1 Planungsphase
4.2.2 Ausführungsphase
4.2.3 Auswertung- und Bewertungsphase
5. Planung der Einheit
5.1. Unterrichtsabschnitt 1: Erarbeitung technischer Funktionszusammenhänge (ca. 2-3 Std.)
5.2. Abschnitt 2: Fertigungsaufgabe à ca. 7Std
5.3. Abschnitt 3: Erkunden der Verwendungszusammenhänge (Betriebserkundung)
6. Medien in der Unterrichtseinheit
6.1. Realmodell als Präsentationsmedium
6.2. Tafel und Tageslichtprojektor
6.3. Visuell-auditives Medium (Beamer)
6.4. Arbeitsblätter und Schulbuch
7. Fazit und Reflexion:
8. Abbildungsverzeichnis
9. Literaturverzeichnis
9.1. Primärliteratur
9.2. Zeitschriften
9.3. Internet-Quellen
10. Anhang
10.1. Mindmap der Unterrichtseinheit
10.2. Arbeitsauftrag zur Fertigungsaufgabe
10.3. Fotos von möglichen Schülermodellen
10.4. Ansichtsmodelle für die Schüler mit Kunststoffzylindern
10.5. Arbeitsblätter (mit Lösungen)
Vorbemerkung
Diese Unterrichtseinheit soll als Anschlusseinheit an bereits zuvor durchgenommene weitere Themenkomplexe für eine 8. Klasse Realschule gesehen werden, das heißt, die Schülerinnen und Schüler[1] haben bereits Kenntnisse zu den Bereichen „Geschichte des Automobils“, von „Dieselmotoren und Zweitaktern“ sowie „Umwelteinflüssen“ (implizit alternative Antriebssysteme und Kraftstoffe, Umweltbelastungsproblematiken), welche vorausgesetzt werden. Dies zur Verdeutlichung, wenn in den Ausführungen nach Klafki später von „Mofa/Moped“ gesprochen wird, diese Fahrzeuge natürlich nicht mit 4-Takt-Ottomotoren bewegt werden.
Die im Anhang angefügte Übersicht des Gesamtthemengebietes zeigt die Gebiete, die Gegenstand der nachfolgenden Unterrichtseinheit sind, in roter Schrift. Ebenso sind dort Arbeitsblätter, die in dieser Einheit verwendet werden, zu finden.
1. Anthropogene Voraussetzungen
Es ist davon auszugehen, dass in der Methodenkompetenz zum Ende der 8. Klasse hin noch einige Defizite zu erkennen sein werden, da sie bislang nicht viel mit unterschiedlichen Methoden gearbeitet haben. Deshalb möchte ich, dass die SuS in Zweier-Teams arbeiten, in denen sie weitgehend auf sich selbst gestellt sind, also ohne Einwirken der Lehrkraft. Dies wird die soziale Zusammenarbeit verbessern. Einige der SuS haben bereits mehr Vorwissen im Bereich von Kraftfahrzeugen, da sie selber Mofas o.ä. besitzen oder die Väter in Automobilsektor arbeiten. Daher tendiert das Leistungsniveau stark auseinander. Die SuS mit größerem Vorwissen sollen mit leistungsschwächeren SuSn zusammenarbeiten. Hierbei muss jedoch darauf geachtet werden, dass alle SuS zu Wort kommen. Verschiedene Varianten der möglichen zu fertigenden Funktionsmodelle sollen eine Binnendifferenzierung ermöglichen.
2. Sachanalyse
2.1. Aufbau eines Zylinders und Zusammenspiel wichtiger Bauteile
Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Bauteile eines Ottomotors, deren Funktion und Zusammenspiel in der Unterrichtseinheit vergegenwärtigt werden sollen. Die wichtigsten Zusammenhänge sollen beschrieben werden:
Der Kolben läuft im Zylinder auf und ab, dabei sorgen die Kolbenringe für eine Abdichtung zur Zylinderwand hin. Beim Auf- und Abgleiten des Kolbens im Zylinder erreicht der Kolben in seinen Endlagen abwechselnd den oberen Totpunkt (OT) und den unteren Totpunkt (UT). Das Pleuel ist unten im Kolben befestigt und verbindet den Kolben mit der Kurbelwelle. Es setzt die lineare Auf- und Ab-Bewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Kurbelwelle um. Diese leitet die Drehbewegung über das Schwungrad als Antriebskraft an das Getriebe weiter und ist über eine Steuerkette mit einem oder zwei Steuerrädern oberhalb des Zylinders verbunden. Die Steuerräder treiben die Nockenwelle an, die oberhalb des Zylinderkopfs die Ein- und Auslassventile betätigen. Pro Drehung schließen bzw. öffnen die Nocken die Ventile ein Mal. Das Einlassventil ist für frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch zuständig, durch das Auslassventil können die Verbrennungsabgase aus dem Zylinder abgeführt werden. Der Kompressionsraum/Verbrennungsraum ist der Zylinderraum oberhalb des Kolbens, der immer frei bleibt. Die Zündkerze zündet das komprimierte Gemisch durch Funken. Die bei der Explosion entstehende Kraft wird über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen.
Die Aufeinanderfolge von Ansaugen, Verdichten, Verbrennen (Arbeiten) und Ausstoßen nennt man das Arbeitsspiel oder den Motorzyklus. Dieser Vorgang kann sich in vier Kolbenhüben (= zwei Kurbelwellenumdrehungen) abspielen; dann spricht man vom Viertaktverfahren, das im nächsten Abschnitt genau beschrieben wird.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Zylinderaufbau eines Ottomotors, Quelle: http://www.matchboxxx.de/forum/motor1.jpg
Die folgenden Abbildungen zeigen eine Kurbelwelle mit vier Kolben und Schwungrädern (Abb. 2) sowie eine Nockenwelle (Abb. 3).
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Abb. 2: Kurbelwelle mit Kolben und Schwungrad, Quelle: http://www.itv.uni-hannover.de/studium/ lehrveranstaltungen/Fahrzeugantriebstechnik/FA-Di-2.pdf, S. 7.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Nockenwelle, Quelle: http://jobst.pekoe.de/quiz/Nockenwelle.jpg
2.2. Die vier Takte
Ein Viertaktmotor ist ein Verbrennungsmotor, der für den Kreisprozess vier Takte benötigt. Ein Takt ist beim Hubkolbenmotor die Bewegung des Kolbens vom Stillstand in eine Richtung bis zum erneuten Stillstand. Die Kurbelwelle vollführt daher während eines Taktes eine halbe Umdrehung[2].
In allen vier Takten spielen sich zusammen mit den Ventilbewegungen (Steuerzeiten) und dem Vergaser etwas kompliziertere Vorgänge ab; die im Folgenden beschrieben werden:
1. Takt (Ansaugen)
Beim Abwärtsgehen des Kolbens vergrößert sich der über dem Kolbenboden liegende Zylinderraum. Dies führt zu einem Druckunterschied von 0,1 bar bis 0,2 bar gegenüber dem atmosphärischen Luftdruck. Der höhere Außenluftdruck drückt Luft in den Zylinder. Hierbei reichert sich die Luft, zum Beispiel im Vergaser, mit Kraftstoff
an. Es entsteht ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch, das durch das Einlassventil (EV) in den Zylinder strömt. Hohe Einströmgeschwindigkeiten der Frischgase (bis
100 m/s) verlangen, dass das Einlassventil nicht im UT, sondern erst 35° bis 90° nach dem UT geschlossen wird. Wegen ihrer Trägheit strömen dann die Frischgase noch einige Zeit weiter, bis der aufwärts gehende Kolben aufgrund des Druckanstieges die Frischgase abbremst. Außerdem öffnet das Einlassventil bereits bis zu 20° vor dem OT. Durch die ausströmenden Abgase des Ausstoßtaktes wird ein Unterdruck (Sogwirkung) erzeugt,
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: Ansaugtakt, Quelle: lehrerfreund.de
der die Frischgase schon in Bewegung setzt, bevor noch der Kolben abwärts geht. Dieser Zustand, bei dem EV und Auslassventil (AV) gleichzeitig geöffnet sind, nennt man Ventilüberschneidung.
2. Takt (Verdichten)
Beim Verdichten wird das Frischgas auf ein Siebtel bis ein Zehntel des gesamten Zylinderraums zusammengedrückt. Dies ergibt ein Verdichtungsverhältnis von 7:1 bis aktuell 14:1 (Mazda Skyactiv Benzinmotor). Dabei entsteht ein Verdichtungs-Enddruck von pe = 12 bis 18 bar, und eine Verdichtungs-Endtemperatur von 400°C bis
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Abb. 5: Verdichtungstakt, Quelle: lehrerfreund.de
600°C. Bei so hohen Verdichtungstemperaturen vergast der in feine Tröpfchen zerstäubte Kraftstoff, was seine Vermischung mit Luft erleichtert. Eine zunehmende Verdichtung hat eine Leistungssteigerung zur Folge. Weil dadurch die Energie des Kraftstoffes besser ausgenützt wird, verbessert sich der Wirkungsgrad des Motors.
3. Takt (Arbeiten)
Die chemische Energie des Kraftstoffs wird durch die Verbrennung in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Energieumwandlung wird kurz vor OT durch das Überspringen des Zündfunkens eingeleitet. Von der Zündkerze ausgehend breitet sich dabei eine etwa 20 m/s schnelle Flammenfront gleichmäßig aus. Die Verbrennung ist kurzzeitig mit Temperaturen von 2000°C bis 2500°C und Verbrennungshöchst-drücken von 40 bis 60 bar verbunden. Bis zum Ende des Arbeitstaktes entspannt sich der Druck auf 3 bar bis 5 bar und die Gastemperatur sinkt auf etwa 900°C.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 6: Arbeitstakt, www.lehrerfreund.de
4. Takt (Ausstoßen)
Das Auslassventil öffnet 40° bis 90° vor dem UT. Dabei verlassen bei einem Druck von 3 bis 5 bar die Abgase den Zylinder mit Schallgeschwindigkeit. Um den dabei entstehenden Lärm möglichst gering zu halten, werden die Druckwellen im Auspuff (Schalldämpfer) abgebaut. Die restlichen Abgase werden beim Aufwärtsgehen des Kolbens bei einem Staudruck von etwa 0,2 bar ausgestoßen. Um den Verdichtungsraum so weit wie möglich von noch vorhandenen Verbrennungsgasen zu säubern, schließt das Auslassventil erst 5° bis 30° nach dem OT, während das Einlassventil öffnet.
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Abb. 7: Ausstoßtakt, Quelle: lehrerfreund.de
2.3. Arbeitsdiagramm
Während eines Arbeitsspiels (4 Kolbenhübe) lässt sich der Druckverlauf im Zylinder mit elektronischen Messgeräten (Oszilloskope) sichtbar machen. Die Aufzeichnung der Drücke in Abhängigkeit vom Kolbenweg macht eine Aussage über die Arbeit, die an den Motorkolben abgegeben wird.
Zur Gewinnung mechanischer Nutzarbeit muss die Expansionsarbeit größer sein als die Kompressionsarbeit. Das ist aber nur möglich, wenn die Temperatur des Arbeitsgases bei der Kompression niedriger ist als bei der Expansion. Dies erfordert nach der Expansion den Entzug von Wärme (Qab) und nach der Kompression die Zufuhr von Wärme (Qzu). Da das Gas dabei immer wieder in den Ausgangszustand (1) zurück kehrt, kann mit einer Wärmekraftmaschine niemals die gesamte zugeführte Wärme in mechanische Arbeit gewandelt werden.[3]
[...]
[1] Ab sofort mit SuS abgekürzt.
[2] Vgl. Grohe, H. (1981): Otto- und Dieselmotoren, 5. A, Würzburg, S. 43; Vgl. http://www.lehrerfreund.de/in/technik/1s/ottomotor-1-viertaktmotor/3870/ [abgerufen 15.6.12].
[3] Vgl. Grohe, H. (1981): Otto- und Dieselmotoren, S. 44 ff.